崔 偉

(揚(yáng)州中學(xué) 教育集團(tuán) 樹人學(xué)校,江蘇 揚(yáng)州 225001)

蠟燭熄滅順序及原因探索

崔 偉

(揚(yáng)州中學(xué) 教育集團(tuán) 樹人學(xué)校,江蘇 揚(yáng)州 225001)

針對(duì)蘇科版物理教材上“哪支蠟燭先滅”問(wèn)題，在無(wú)液封、用水封和用油封3種條件下，分別觀測(cè)并記錄了小、中、大及球形玻璃罩內(nèi)幾種不同長(zhǎng)度蠟燭熄滅的先后順序，并由此分析了影響蠟燭熄滅順序的原因.在相同密封程度下，蠟燭的熄滅順序不僅跟玻璃罩的大小有關(guān)，還與形狀有關(guān)；形狀不同比大小不同造成的差異更大；在液封條件下，較小的玻璃罩內(nèi)的蠟燭按照由高到低的順序熄滅，較大的玻璃罩內(nèi)中較矮的蠟燭容易熄滅，且密封性越好效果越明顯；底層蠟燭受到密封程度的影響更大.

蠟燭;熄滅;探究實(shí)驗(yàn)

“哪一支蠟燭先滅？”是蘇科版物理教材八年級(jí)[1](上冊(cè))引言中的一個(gè)探索性實(shí)驗(yàn).這個(gè)問(wèn)題對(duì)應(yīng)的另一個(gè)問(wèn)題是：為什么要貼著地面逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)？這2個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)都是探討燃燒時(shí)空氣中二氧化碳的分布和變化.為了深入分析這類問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了不同的實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)觀測(cè)在不同條件下蠟燭熄滅的順序來(lái)分析二氧化碳的分布及變化，從而揭示其規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 器材準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)器材主要包括：長(zhǎng)度分別為3，5.5，8，10.5，13.5 cm的蠟燭12套(長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所用的玻璃罩的高度而決定)，打火機(jī)或火柴，大、中、小玻璃罩各1只(內(nèi)徑分別為14.5，11.5，8.5 cm；高分別為20，22，18 cm)，球形玻璃罩1個(gè)(口內(nèi)徑21 cm，腹部最大直徑29 cm，高16 cm)，食用油，自來(lái)水等.

1.2 方案設(shè)計(jì)

由于影響蠟燭熄滅順序的原因較多[2]，為探明各種影響因素的作用，本實(shí)驗(yàn)采用控制變量、對(duì)比分析等方法探究了蠟燭熄滅的原因.實(shí)驗(yàn)分無(wú)液封、用水封和油封3種情況，每種情況分小、中、大和球形玻璃罩4組，每組做2次以上實(shí)驗(yàn)，每次均取長(zhǎng)短不同的5根蠟燭同時(shí)點(diǎn)燃，再蓋上玻璃罩，觀察并在設(shè)計(jì)好的表中記錄蠟燭熄滅時(shí)間.

1.3 探究準(zhǔn)備

將5支長(zhǎng)度分別為3，5.5，8，10.5，14.5 cm的蠟燭，分別固定在玻璃板上，倒入適量水或油，點(diǎn)燃蠟燭，罩上玻璃罩，觀測(cè)現(xiàn)象并記錄蠟燭在玻璃罩內(nèi)熄滅的時(shí)間.

2 對(duì)比分析

記錄的數(shù)據(jù)如表1所示，表中蠟燭熄滅時(shí)間為t，觀察的現(xiàn)象如圖1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1中記錄的數(shù)據(jù)分別畫出5支蠟燭在不同密封條件下、在不同玻璃罩內(nèi)燃燒的時(shí)間隨其長(zhǎng)短變化的圖像(如圖2所示),并由圖像中提供的信息進(jìn)行對(duì)比分析.

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

(a)無(wú)液封 (b)用水封 (c)用油封圖2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖

2.1 玻璃罩底部無(wú)液封

1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

扣上小玻璃罩后約2 s，13.5 cm，10.5 cm和8 cm的蠟燭很快熄滅，7 s時(shí)5.5 cm的蠟燭熄滅，9 s時(shí)3 cm的蠟燭開始變暗，但在11 s又奇跡般地亮了，直到13 s才熄滅.換成中玻璃罩后約4 s，10.5 cm和8 cm的蠟燭熄滅，接著13.5 cm的蠟燭也熄滅，9 s時(shí)5.5 cm的蠟燭熄滅，3 cm的蠟燭持續(xù)到15 s熄滅，基本上是越高的蠟燭越容易熄滅.換成大玻璃罩后5 s，中間高度的10.5 cm蠟燭先熄滅，6 s時(shí)8 cm的蠟燭熄滅，8 s時(shí)13.5 cm的蠟燭熄滅，17 s時(shí)5.5 cm的蠟燭熄滅，3 cm的蠟燭則在24 s才最后熄滅，即中等高度的蠟燭先熄滅.換成球形玻璃罩后約21 s時(shí)，3 cm和5.5 cm的蠟燭似乎要同時(shí)熄滅.但就在3 cm的蠟燭即將熄滅的瞬間，5 cm的蠟燭卻先熄滅，并引發(fā)3 cm的蠟燭重新旺盛起來(lái).此后22 s前后出現(xiàn)了奇特的現(xiàn)象：3 cm的蠟燭先變暗，但隨著8 cm的蠟燭熄滅，3 cm的蠟燭又一次復(fù)燃，25 s時(shí)13.5 cm的蠟燭熄滅，26 s時(shí)10.5 cm的蠟燭熄滅，再經(jīng)過(guò)2 s，3 cm的蠟燭才最后熄滅.

2)分析論證

無(wú)液封的小號(hào)和中號(hào)的玻璃罩，得到的結(jié)果均是長(zhǎng)蠟燭先滅.長(zhǎng)蠟燭先滅說(shuō)明玻璃罩內(nèi)蠟燭燃燒產(chǎn)生的二氧化碳首先集中在玻璃罩內(nèi)的上部.但大玻璃罩的空間大，二氧化碳迅速冷卻而下沉，使得短蠟燭先滅.而且當(dāng)短蠟燭變暗時(shí)，玻璃罩內(nèi)的空氣溫度降低，使得外面的空氣帶著氧氣從密封不太好的底部鉆進(jìn)玻璃罩內(nèi)，首先給最矮的蠟燭供氧而維持燃燒，玻璃罩下口的密封性影響了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.

2.2 玻璃罩底部用水封口

1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

用水封住小玻璃罩后，中間的5.5 cm，8 cm和10.5 cm蠟燭在2 s左右?guī)缀跬瑫r(shí)熄滅，3 s后13.5 cm的熄滅，3 cm的堅(jiān)持到9 s熄滅.蠟燭熄滅時(shí)會(huì)有大量氣泡涌進(jìn)玻璃罩內(nèi).中玻璃罩扣上5 s后，10.5 cm的蠟燭先熄滅，6 s時(shí)13.5 cm的蠟燭熄滅，7 s時(shí)8 cm的蠟燭熄滅，9 s時(shí)5.5 cm的蠟燭熄滅，3 cm的蠟燭則持續(xù)到18 s才熄滅.大玻璃罩扣上4 s后，10.5 cm的蠟燭先熄滅，接著是13.5 cm和8 cm的蠟燭，幾乎同時(shí)熄滅，然后3 cm的蠟燭熄滅，5.5 cm的蠟燭卻是最后熄滅.球形玻璃罩扣上5 s后，15.5 cm的蠟燭熄滅，21 s時(shí)13.5 cm的蠟燭熄滅，34 s時(shí)3 cm的蠟燭進(jìn)入熄滅狀態(tài)，但到36 s時(shí)，3 cm和5.5 cm的蠟燭才一起熄滅.40 s時(shí)10.5 cm的蠟燭熄滅，8 cm的蠟燭43 s才最后熄滅.

2)分析論證

水封的小號(hào)和中號(hào)的玻璃罩，得到的結(jié)果均是長(zhǎng)蠟燭先滅，而且時(shí)間很短.大號(hào)和球形玻璃罩內(nèi)蠟燭熄滅的順序有錯(cuò)亂的現(xiàn)象，中等長(zhǎng)度的蠟燭反而先滅，說(shuō)明二氧化碳分布在玻璃罩中部的成分偏多.在蠟燭熄滅的過(guò)程中，玻璃罩內(nèi)不斷有氣泡出現(xiàn)，表明用水封口還不能完全防止玻璃罩內(nèi)外之間的氣體相互流通.

2.3 玻璃罩底部用油封口

1)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

用油封住小玻璃罩后1 s，13.5 cm和10.5 cm的蠟燭先熄滅，2 s時(shí)8 cm的蠟燭熄滅，5 s時(shí)5.5 cm的蠟燭熄滅.玻璃罩內(nèi)的油面逐漸上升，特別是最后一支蠟燭熄滅后，油面迅速上升，幾乎將5.5 cm的蠟燭整個(gè)淹沒(méi).中玻璃罩在4 s時(shí)13.5 cm的蠟燭先熄滅，5 s時(shí)10.5 cm的蠟燭熄滅，5.5 cm的蠟燭也很快熄滅，但8 cm的蠟燭卻持續(xù)到20 s才熄滅.大玻璃罩內(nèi)13.5 cm的蠟燭2 s后先熄滅，10.5 cm的蠟燭在5 s熄滅，5.5 cm的蠟燭在13 s熄滅，最后熄滅的是8 cm的蠟燭.球形玻璃罩由于體積較大，直到28 s，13.5 cm的蠟燭先熄滅，5.5 cm的蠟燭則以非常微弱的火勢(shì)堅(jiān)持了4 s后熄滅.41 s時(shí)10.5 cm 的蠟燭熄滅，8 cm的蠟燭堅(jiān)持到43 s才熄滅.

2)分析論證

如圖3所示，油封玻璃罩后其密封性增強(qiáng)了很多，二氧化碳的運(yùn)動(dòng)完全取決于玻璃罩的大小和形狀.在小玻璃罩內(nèi)清楚地表現(xiàn)為蠟燭越高的越先熄滅，表明二氧化碳開始時(shí)處于頂端.中號(hào)、大號(hào)和球形玻璃罩內(nèi)中等高度的蠟燭并不容易熄滅，表明二氧化碳首先上升，碰到玻璃罩的壁后迅速冷卻，然后沿著玻璃壁向下運(yùn)動(dòng).

圖3 不同形狀玻璃罩內(nèi)二氧化碳?xì)怏w流動(dòng)情況

3 結(jié) 論

蠟燭的熄滅順序不僅跟玻璃罩的大小有關(guān)，還與形狀有關(guān)，形狀比大小對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響更大；更與密封程度有關(guān)，在液封條件下，較小的玻璃罩內(nèi)的蠟燭按照由高到低的順序熄滅，較大的玻璃罩內(nèi)中矮蠟燭容易熄滅，且密封性越好效果越明顯；底層蠟燭受到密封程度的影響更大.二氧化碳在玻璃罩內(nèi)的分布是影響蠟燭熄滅順序的直接原因.瘦高型玻璃罩內(nèi)二氧化碳最先分布在玻璃罩的頂端，使較高的蠟燭先熄滅；比較寬敞的容器內(nèi)，二氧化碳從頂部沿著內(nèi)壁迅速冷卻下沉，使得處于較高和較矮的蠟燭先熄滅，而中間高度的最后熄滅.

致謝：感謝樹人學(xué)校九龍湖校區(qū)8年級(jí)4班學(xué)生包昕玥為本文提供詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

[1] 劉炳昇.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施教材·物理(8年級(jí)上冊(cè))[M].南京：江蘇科技出版社，2012.

[2] 崔偉.關(guān)于蠟燭熄滅先后實(shí)驗(yàn)的探討[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2013(6):64-66.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Exploration on the order and reason of candle extinguishment under different conditions

CUI Wei

(Shuren School of Yangzhou Middle School Education Group, Yangzhou 225001, China)

Aiming at the question of which candle extinguishes first, a series of experiments were designed under conditions of no seal, water seal and oil seal.The extinguishment order of candles with different lengthes in diffirent glass covers was recorded.From the experiments, we could draw these conclusions: firstly, the extinguisment order of the candles was related not only to the size, but also to the shape of the glass covers.The difference caused by the shape of the glass covers was bigger than that caused by the size.Secondly, the order of extinguishment of the candles was from higher ones to lower ones in smaller glass covers, however, in bigger glass covers, the lower candles were more easy to extinguish.Lastly, the bottom candle was easily influenced by the seal condition.

candle; extinguish; exploration experiment

2017-01-14

崔 偉(1969-)，男，江蘇揚(yáng)州人，揚(yáng)州中學(xué)教育集團(tuán)樹人學(xué)校特級(jí)教師，碩士，從事中學(xué)物理教學(xué)工作.

G633.7

A

1005-4642(2017)05-0058-04